公開資料
NXPが新しい電圧レベル変換器を発表 -次世代のイノベーションがシステムパフォーマンスを改善
担当発表者
Steve Blozis
グローバルプロダクト・マーケティング・マネージャーアドバンスト・アナログ部門ハイパフォーマンス・アナログ担当
Emmanuel Nana
テクニカルマーケティング・マネージャーアドバンスト・アナログ部門
レベル変換とは?それが不可欠な理由は?
レベル変換器のアプリケーション
図 1-2.出力電圧レベルを上下に調整
概要多くの機器の設計では、ドライバの出力電圧をレシーバが正しく受け取れるように、信号電圧レベルを調整する必要があります(図1-2)。
3 V~5 Vのような一般的に使われるロジックレベルでもロジック入力(V I HとV I L)と出力レベル(VOHとVOL)のレベル差に気をつけなくてはなりません(図1-3)。
レシーバ
レシーバ
ドライバ
ドライバ
過電圧の許容
レベル変換器のアプリケーション
トレンド:デジタルICの低電圧化、低消費電力化が進む
プロセッサ
ジオメトリ40nm
28nm
14nm
10nm
7nm
I/O電圧5V
3V
1.8V
1.2V
センサー
EEPROM
USB
3.3V
1.8V
5V
1.8V
1.2V
1.8V
レベル変換器
レベル変換器
レベル変換器
結果:レベル変換器の需要が増加;周辺機器の対応はゆっくり
新たな低電圧のノードと従来の高電圧ノードを接続するために、レベル変換器が必要になります。
レベル変換器は多彩なアプリケーションで利用可能
AC/DC
充電器バッテリー
充電器
RF、GPS、WLAN、BT
PMU SIMカード メモリカード
セルラー&接続用無線
電圧レベル変換器
電圧レベル変換器
プロセッサ電圧レベル変換器
電圧レベル変換器
NFC/RFIDMCU、特殊機能のμC
USB
HDMI
I2C、MIPI、SPI UART
キーパッド センサー
オーディオ
後方の方向指示器
フラッシュ
カメラ
ディスプレイ
レベル変換の仕組み
• バイアスされたゲートが高電圧を遮断
• 制御ピンなしで双方向の変換を実現
• すべてのオープンドレインまたはプッシュプルのアプリケーションに使用可能
• AポートとBポートの異なる電圧ドメイン
• 方向制御が必要
• プッシュプルアプリケーションの例
レベル変換 – FETによるもの バッファによるもの
ドレイン
ソース
ゲート
N-チャンネル
NXPが提供するソリューション
NTBファミリ GTLファミリI2Cファミリ
特徴:
• シングル電源とデュアル電源
• 双方向
• 自動検出
• 静電容量の絶縁
• 高いノイズマージン
• SCL/SDA – 2ビット
アプリケーション
• I2Cバッファリング
• 長いケーブル
• ホットスワップ
FETファミリ
特徴:
• デュアル電源
• 双方向
• 自動検出
• パッシブ
• ODまたはPP
• 外付けのプルアップが必要
• 1~10ビット幅
アプリケーション
• 制御インターフェース
• I2Cバス
NTSファミリ
特徴:
• デュアル電源
• 双方向
• 自動検出
• 静電容量を絶縁
• プッシュプルのみ
• 低出力駆動
• 1~8ビット幅
アプリケーション
• アクティブ駆動に対応した制御インターフェース
特徴:
• 「GTL」ロジックをサポート
• デュアル電源
• 双方向
• 方向ピン
• 静電容量を絶縁
• GTLからLVTTLへのレベル変換 – ODからPPへ
• 1~8ビット幅
アプリケーション
• IntelプロセッサでGTLレベルをサポート
特徴:
• デュアル電源
• 双方向
• 自動検出
• パッシブ
• ODまたはPP
• 内蔵のプルアップ抵抗
• 1~8ビット幅
アプリケーション
• 制御インターフェース
• I2Cバス
•
電圧レベル変換器のタイプと特徴
• 最大1 MHzのI2Cバス
• 方向制御用にBポートへ静的オフセットを備えた双方向機
能を搭載
• I2C用に最適化。しかしすべてのオープンドレインまたは
プッシュプル・アプリケーションに使用可能
• Aポートは0.8 V~5.5 Vで動作
• Bポートは2.3 V~5.5 Vで動作
• 異なるドメイン -プルアップ抵抗を各電源電圧に接続
• いずれの側でもマスターとスレーブを自由に組み合わせ可能
I2Cレベル変換バッファ(信号方向自動検出)
バスマスター
1000 kHz
バスB バスA
SDAB
SCLB
SDAA
SCLA
EN
SDA
SCL
スレーブ1000 kHz
SDA
SCL
プルアップ抵抗
• 最大3.4 MHzのI2Cバス (RC時定数依存)• 制御ピンなしで双方向に対応• すべてのオープンドレインまたはプッシュプルのアプリケーションに使用可能
• VREFAは1.0V~4.5Vで動作
• VREFBは2.0V~5.5Vで動作• 低電圧側がVolを決定 -プルアップ抵抗を各電源電圧に接続• いずれの側でもマスターとスレーブを自由に組み合わせ可能
I2Cレベル変換FET(方向検出)
I2Cバスマスター
I2Cバスデバイス
(1) 変換器が最高の性能を保てるように、Vref(A)とVpu(D)へ入力する電圧は、Vref(B)がVref(A)よりも最低1 V高くなるように設定してください。
VREFA VREFB
EN
GND
GND
SDA
SCL
VCC
• 最大1 MHzのI2Cバス
• 制御ピンなしで双方向に対応
• I2Cバスアプリケーションのみをサポート
• VDD1は0.8 V~3.6 Vで動作
• VDD2は1.65 V~3.6 Vで動作
• 低電圧側がVolを決定 -プルアップ抵抗を各電源電圧に接続
• いずれの側でもマスターとスレーブを自由に組み合わせ可能、ただし切替を行うマスターを「入口側」に接続
I2Cレベル変換マルチプレクサ(方向検出)
マイクロコントローラ
温度センサー
GPIO
電力管理コントローラ
I2Cバス周辺機器
0.8 V~3.6 V
0.8 V~3.6 VI2Cバス制御入力フィル
タ
リセット回路
スイッチ制御ロジック
リセット
• 最大2MHzのI2Cバス
• ワンショットのリンギングの可能性あり
• 制御ピンなしで双方向に対応
• すべてのオープンドレインまたはプッシュプル・
アプリケーションに使用可能
• Aポートは0.95V~3.6Vで動作
• Bポートは1.65V~5.5Vで動作
• 低電圧側がVolを決定 -プルアップ抵抗を各電源電圧に接続に加えて「ワンショット」動作
• いずれの側でもマスターとスレーブを自由に組み合わせ可能
NTS0302
I2Cレベル変換FET、ワンショット搭載(方向検出)
ワンショットとスルーレートの
制御
ワンショットとスルーレートの
制御
ゲートバイアス制御
HBM JESD22-A114E HBM JESD22-A114E
GND
システムコントローラ
3.3 V
システム
データデータ
• I2Cバスでは使用不可
• 制御ピンなしで双方向に対応 -方向反転時には駆動出
力を強化
• プッシュプルのアプリケーションに使用可能
• Aポートは1.2 V~3.6 Vで動作
• Bポートは1.65 V~5.5 Vで動作
• バッファ駆動によるHIGH出力に加えてワンショット機能
• いずれの側でもマスターとスレーブを自由に組み合わせ可能
レベル変換バッファ、ワンショット搭載(方向検出)
ワンショット
ワンショット
ワンショット
ワンショット
データ
GND
1.8 V
システムコントローラ
データ
3.3 V
システム
• I2Cバスでは使用不可
• 制御用の方向ピン
• オープンドレインまたはプッシュプルのアプリ
ケーションに使用可能
• Aポートは3.0 V~3.6 Vで動作 - 5Vトレラントには対応せず
• Bポートは3.6 Vまで動作 -しきい値はVTTの2/3に設定
• AポートLVTTL -バッファ駆動によるHIGH出力
• Bポートオープンドレイン - VTT(1.2V)へのプルアップ抵抗
• 標準ロジック製品では両側でLVTTLとなっている
LVTTLGTL
レベル変換ロジックバッファ(方向検出なし)
1.5 kΩ~1.2 kΩ
プラットフォームの異常管理
CPU1 1ERR_L
CPU1 THRMTRIP L
CPU1 PROCHOT L
CPU2 PROCHOT L
CPU2 1ERR_L
CPU2 THRMTRIP L
CPU1 SMI L
CPU2 SMI L
SMI_BUFF_L
SOUTHBRIDGE NMI
SOUTHBRIDGE SMI_L
電源良好
電源
FORCEPR_L
PROCHOT L
IERR_L
THRMTRIP L
NMI
CPU2 DISABLE_L
CPU2
IERR_L
THRMTRIP L
FORCEPR_L
PROCHOT L
NMI
CPU1 DISABLE_L
CPU1VREF
GND
I/O
ポート
GPIOアプリケーション
ホストCPU
PCA9555
A
VDD2(1.8 V)
VDD1(1.8 V)
I/O
ポート
VDD
GPIOアプリケーション
ホストCPU
PCA9555
変換器NVT2002
VDD2(2.5 V)
VDD1(1.8 V)
I/O
ポート
I/O
ポート
VDD
I/O
ポート
GPIOアプリケーション
ホストCPU
PCA6416AVDDポート(5.0 V)
VDD1(1.8 V)
I/O
ポート
I2C VDD(1.8 V)
• ホストとGPIOの間でレベル変換器が必要
レベル変換 - 2電源型GPIO
• GPIO電源電圧が低い場合は、レベル変換不要• 2つの電源供給ピンを持つため、
I2CインターフェースとGPIOポートが異なる電圧で動作可能
NXP VLTの利点
NTS030xレベル変換器の紹介
広い電圧範囲および超低電圧VCC(A):0.95 V~3.6 VVCC(B):1.65 V~5.5 V
システムレベルの8 kV ESD保護(4、8チャンネルのBポート)
「スマート」ワンショット50nsパルスおよびEMI除去
完全なファミリ1、2、4、8チャンネルのレベル変換器
ワンショット
ワンショット
ゲートバイアス
入力:400kHzNTS0104
NTS0304
チャンネル4のメニュー
カップリング
DC
インピーダンス
1M Ohm
BW制限 高精度 反転 プローブ
アジレント
取得
高解像度2.00GSa/秒
チャンネル
NTS0104はリンギングを発生
出力:1.8V~3.3V、15pF負荷
入力:400kHz、1.8V~3.3V、400pF負荷
負荷が大きいためNTS0104の出力は3.3 Vに達せず
0.7V3.3V
3.3V
NTS0104
NTS0304
アジレント
取得
高解像度2.00GSa/秒
チャンネル
入力:1MHz、1.8V~3.3V、15pF負荷
NTS0104では出力にリンギング
NTS0104
NTS0304
アジレント
取得
高解像度2.00GSa/秒
チャンネル
ファイルへ保存 =
フォーマットPNG
保存\usb
ファイル名 設定
scope_11
押して保存
入力:1MHz、1.8V~3.3V、400pF負荷
NTS0104の出力は3.3 Vに達せず、リンギングが発生
3.3V
NTS0104
NTS0304
0.7V3.3V
アジレント
取得
高解像度2.00GSa/秒
チャンネル
フォーマットPNG
保存
\usb
ファイル名 設定 押して保存
ファイルへ保存 = scope_12
Q&A
ノートパソコン
通信システム
スマートフォン
デビットカード/クレジットカード
レベル変換のアプリケーション
お問い合わせは…[email protected]
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